Le béton de soufre, parfois aussi appelé béton au soufre, ou thiobéton, est un matériau composite rarement utilisé en construction, et d'usage limité à l'extérieur des bâtiments en raison de sa faible résistance à la chaleur. Il est constitué essentiellement de soufre élémentaire comme agent liant, de granulats comme charge, et d'adjuvants chimiques modifiants (en anglais, modifiers), en fait des plastifiants. Comme dans le béton classique, les granulats de différentes granulométries sélectionnées par tamisage sont constitués de granulats grossiers (graviers de rivière ou roches concassées) et d'un granulat fin (sable). À la différence du béton classique, la production du béton au soufre ne fait pas appel à un liant hydraulique composé d'un mélange de ciment et d'eau, qui après avoir réagi (réaction d'hydratation du clinker) forment la pâte de ciment durcie assurant le maintien et la cohésion des granulats.
Le mélange cru ( en anglais) utilisé pour la production du béton de soufre contient entre 12 et 25 % massique de soufre, le reste étant du granulat. Ce mélange est chauffé au-dessus du point de fusion du soufre élémentaire () à environ . Des agents modifiants organiques (modifiers) peu volatils (, à haut point d'ébulition), comme du dicyclopentadiène (DCPD), du styrène, de la térébenthine, ou du furfural, sont ajoutés au soufre fondu pour inhiber sa cristallisation et stabiliser sa structure polymérique. Le soufre fondu très fluide enrobe les granulats. Après refroidissement, le soufre se solidifie. En absence d'agents modifiants, le soufre élémentaire cristalliserait dans sa phase cristalline allotrope (polymorphe) la plus stable à température ambiante. Avec ajout d'agents modifiants, le soufre élémentaire forme un copolymère (chaines linéaires avec le styrène, structure réticulée (cross-linking) avec le DCPD) et reste plastique. Le béton au soufre atteint alors en environ de refroidissement une résistance mécanique élevée. Il ne nécessite pas une période de cure prolongée comme le béton classique au ciment qui après sa prise (quelques heures) doit encore durcir pour atteindre sa résistance nominale prévue à . La vitesse de durcissement du béton de soufre est fonction de sa vitesse de refroidissement et aussi de la nature et de la concentration en agents modifiants (processus de réticulation). Son durcissement est régi par le changement d'état liquide/solide assez rapide et les processus de transition de phases associés (maintien à l'état plastique en évitant sa recristallisation). C'est un matériau thermoplastique dont l'état physique dépend de la température. Il peut être recyclé et remis en forme de façon réversible, simplement en le refondant à température élevée.
Dès 1900, un brevet de béton de soufre a été déposé par McKay.. Le béton de soufre a été étudié plus en détail dans les années 1920 et 1930. Il a connu un regain d'intérêt dans les années 1970 en raison de l'accumulation de quantités considérables de soufre élémentaire comme sous-produit du procédé d'hydrodésulfuration du pétrole et du gaz et de son faible coût (déchet industriel très abondant).
Caractéristiques Le béton de soufre a une faible porosité et est également peu perméable. La faible porosité et la faible conductivité hydraulique de sa matrice ralentissent les infiltrations d'eau et diminue le transport d'espèces chimiques corrosives, comme les chlorures (corrosion par piqûres des armatures en acier. En absence de fissuration, il assure la protection physique des armatures en isolant l'acier au carbone du contact avec l'eau. Le béton au soufre résiste à certains composés chimiques comme les acides qui attaquent le béton classique à base de ciment. Il n'est toutefois pas capable de résister à une exposition prolongée à une température élevée (T > ).
À côté de son imperméabilité, Loov et al. (1974) mentionnent également parmi les caractéristiques avantageuses du béton de soufre sa faible conductivité thermique et sa basse conductivité électrique. Le béton de soufre ne provoque pas de réaction néfaste avec le verre (pas de réaction alcali-silice), ne produit pas d'efflorescences et présente un fini de surface très lisse. Loov et al. (1974) mentionnent également parmi ses principales limitations techniques, son coefficient de dilatation thermique élevé (contraintes mécaniques induites et risque de fissuration associé), et aussi la formation possible de composés acides sous l'action de l'eau et de la lumière. Le béton de soufre réagit aussi avec le cuivre et dégage une odeur caractéristique lorsqu'il est fondu.
Usages Au cours des dernières décennies, des quantités considérables de soufre élémentaire se sont accumulées dans les pays économiquement développés. Il s’agit essentiellement d’un sous produit du raffinage du pétrole et du gaz et de procédés de traitement des sulfures de métaux comme le cuivre et le zinc. La raison réside surtout dans l'augmentation des capacités de production industrielle mais aussi dans le renforcement des réglementations environnementales limitant les émissions de dans l’atmosphère (pluies acides) et la quantité maximale de soufre dans les carburants. Il devient donc urgent de trouver de nouveaux débouchés permettant de valoriser et de recycler utilement tout ce soufre.
Le béton de soufre a été développé et promu comme matériau de construction en extérieur afin de pouvoir se débarrasser, tout en les valorisant, de grands stocks de soufre issus de l'hydrodésulfuration du gaz et du pétrole (procédé Claus). Toutefois, vu ses inconvénients, le béton de soufre n'est généralement utilisé qu'en petites quantités lorsqu'une prise et un durcissement rapides ou une résistance aux acides sont recherchés. Ce matériau a également été proposé comme matériau de construction potentiel sur la planète Mars, où l'eau et le calcaire ne sont pas facilement disponibles, contrairement au soufre...
Avantages et bénéfices La température nécessaire à la production du béton de soufre étant plus faible que celle du ciment Portland , ses émissions totales de sont 40 % inférieures à celles de la fabrication du béton de ciment classique.... Le béton de soufre est donc considéré comme un matériau de construction participant aux efforts nécessaires pour se diriger vers la neutralité en carbone. Sa production sans consommation d'eau et nettement moins énergivore par rapport aux bétons classiques à base de ciment Portland ordinaire (CEM I selon la norme européenne EN 197 définissant les différents types de ciments hydrauliques) en fait une alternative potentiellement intéressante, sans compter la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les bétons à base de ciment portland étant responsables de environ 8 % des émissions mondiales de en 2020. Grâce aux progrès des procédés de fabrication, le béton de soufre peut être produit avec qualité et en grande quantité.. Par exemple, des traverses de chemin de fer en béton de soufre recyclables sont utilisées en Belgique pour une partie de l'infrastructure ferroviaire dans la région d'Anvers, et sont produites en masse localement. Un autre usage possible pour le béton de soufre est celui des canalisations d'égout, des chambres de visite, des raccords et des tuyaux les reliant aux égouts. Sa haute densité, sa faible porosité, sa faible perméabilité à l'eau, sa surface lisse, sa bonne adhésion et sa bonne résistance aux acides sont des qualités recherchées. Cependant, sa résistance aux attaques bactériennes doit encore faire l'objet d'attention sur le long terme dans le cadre du cycle biogéochimique du soufre.
Défis scientifiques et techniques à long terme En effet, les bactéries sulfato-réductrices (en anglais : sulfate-reducing bacteria, SRB) et thio-oxydantes (en anglais : sulfur-oxidizing bacteria, SOB) produisent respectivement du sulfure d'hydrogène () et de l’acide sulfurique () capable d’attaquer la pâte de ciment Portland hydratée des matériaux cimentaires, notamment dans les parties non noyées (zone vadose, accessible à pied) des égouts. Elles sont connues pour occasionner de grands dégâts au mortier et au béton des anciennes infrastructures d’égouttage. Le béton de soufre, s’il s’avère résistant aux attaques chimiques et bactériennes à long terme, pourrait offrir une solution efficace et durable à ce problème. Cependant, le soufre élémentaire participant lui-même aux réactions d’oxydoréduction utilisées par certaines bactéries pour produire l’énergie qui leur est nécessaire à partir du cycle du soufre, le soufre élémentaire pourrait contribuer à alimenter directement l’activité bactérienne.
Les biofilms adhérents à la surface des parois des égouts pourraient abriter des colonies microbiennes autotrophes pouvant dégrader le béton de soufre si elles sont capables d’utiliser celui-ci directement comme donneur d’électrons pour réduire les nitrates (processus de dénitrification autotrophique), ou les sulfates, présents dans les eaux usées. La durée de service requise pour les infrastructures d’égouttage des grandes villes et métropoles dépasse largement plus de (à Londres, de nombreux égouts datent de l'époque victorienne, 1832 – 1901). Un des défis majeurs auxquels le béton de soufre est confronté est de pouvoir démontrer son caractère suffisamment peu réactif et peu sensible à l’activité microbienne à très long terme. Des essais de dégradation microbiologique en laboratoire et en conditions in situ sur le terrain s’avèrent encore nécessaires vu le manque de recul sur la durabilité de ce matériau et les échelles de temps concernées.
La durabilité du béton de soufre à très long terme dépend aussi de facteurs physico-chimiques comme ceux contrôlant, entre autres, la diffusion des agents modifiants (si non complètement fixés chimiquement) hors de la matrice du soufre élémentaire et leur lixiviation par l'eau. Les modifications éventuelles des propriétés physiques du matériau en résultant détermineront sa résistance mécanique et son comportement chimique à long terme. Le caractère biodégradable, ou au contraire récalcitrant vis-à-vis à l’activité microbienne, des adjuvants organiques, voire leur éventuel pouvoir biocide (susceptible de protéger le béton de soufre de l’attaque des micro-organismes) constitue un aspect important pour évaluer la durabilité du matériau. Celle-ci pourrait également dépendre à terme de la recristallisation progressive du soufre élémentaire au fil du temps ou de la vitesse de déformation plastique de sa structure modifiée par les différents types d’adjuvants organiques.
Inconvénients et limites d'utilisation Le béton de soufre présente différents inconvénients, comme sa perte de résistance mécanique au fil du temps, sa durabilité médiocre, son inflammabilité, les problèmes de dégradation microbienne, le caractère corrosif des espèces réduites du soufre et l'absence de tampon chimique alcalin indispensable à la passivation et à la protection des armatures. Il est de ce fait incompatible avec les armatures d'acier (problèmes de corrosion) et ne peut servir à la fabrication de béton armé ou précontraint.
Perte de résistance mécanique (vieillissement)